单片机直流伺服控制系统设计毕业设计论文.doc

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1、I 摘摘 要要 半个世纪来，直流伺服控制系统己经在精密数控机床、加工中心、机器人等领 域得到了广泛的应用。随着伺服电动机技术、电力电子技术、计算机控制技术的发 展，使得伺服控制系统朝着控制电路数字化和功率器件的模块化的方向发展。 本文介绍了微机直流伺服系统的硬件、软件设计方案。硬件设计主要包括:总体 方案设计、单片机应用系统设计、驱动电路设计和测量电路设计。单片机用系统采 用了基于总线的模块式单片机通用开发设计方案，配置灵活，可根据需要组合成各 种应用系统。功率驱动采用 PWM 伺服生成模块，使系统具有结构简洁、性能可靠 的特点，可以满足不同结构的直流伺服控制系统的设计要求。软件编制采用模块化

2、 的设计方式，主要包括主程序设计、T0 中断服务(采样定时控制)程序及数字控制算 法程序的设计。 通过系统的整体设计，完成了系统的基本要求，系统可以稳定的运行。 关键词关键词：位置伺服系统；直流电机；单片机 II High Precision Position Servo Microcomputer Control System Design AbstractAbstract For a half of century，the DC servo control system has been widely used in the NC machine tool，machining center

3、，and robot，etc. With the technical development of servo motor，electronies Power and computer control，the servo control system is making towards digitized and modular design. This paper introduces the hardware，software design plan of DC servo control system on microcomputer. The hardware designed inc

4、ludes mainly: the total project design，single-chip computer application system design，drive circuit design and measure circuit design. The single-chip computer system is a versatile module single-chip computer developing system，It can make up various kinds of application systems according to your ne

5、ed. The power drives adopts the PWM produce modular，and also meets the designing requirement of the DC servo control system in different structure. The sotfware a dots modular design，includes primarily the main procedure design, the service procedure of T0 break off and increases the design of the d

6、eal type arithmetic figure PID calculation way procedure. Through the integral design of the system, the completion of the basic requirements of the system, the system can stable operation KeywordsKeywords: : Position servo system；Dc motor; microcontroller III 目目 录录 第一章绪论1 1.1 课题研究的目的和意义1 1.2 国内外研究现

7、状以及发展趋势2 1.3 设计要求及参数4 第二章 系统总体方案设计6 2.1 系统控制方案的选择6 2.2 直流伺服电机的数学模型6 2.3 控制器的设计8 2.3.1 电流调节器的设计8 2.3.2 转速调节器的设计9 2.4 位置控制器设计9 第三章 系统硬件设计11 31 控制单元电路设计.11 3.1.1 引脚特性12 3.1.2 时钟电路设计.13 3.1.3 复位电路设计.14 3.2 信号检测电路设计14 3.2.1 位置转速检测电路.14 3.2.2 电流检测电路的设计15 3.3 控制电路设计16 3.3.1 运动控制电路设计16 3.3.2 电机驱动电路的设计17 3.4

8、 显示电路的设计18 3.5 按键电路的设计20 3.6 电源电路的设计21 第四章 系统软件设计22 4.1 总体设计思想22 4.1.1 系统的工作过程22 4.1.2 程序设计方法选择.22 IV 4.1.3 程序设计语言的选择.22 4.2 主程序设计24 4.3 数据采集（转速检测）子程序的设计25 4.3.1 外部中断 0 服务程序.25 4.3.2 定时器 0 中断服务程序25 4.3.3 外部中断 1 服务程序26 4.4 PI 算法子程序设计26 总 结28 致 谢29 参考文献30 附录一：系统原理图32 附录二：部分程序清单33 1 第一章绪论第一章绪论 1.11.1 课

9、题研究的目的和意义课题研究的目的和意义 伺服系统也称为随动系统，属于自动控制系统的一种，它是用来控制被控 对象的转角或位移，使其能自动的、连续的、精确地复现输入指令的变化规律， 它通常具有负反馈的闭环控制系统，有的场合也可以用开环控制系统来实现其 功能，伺服系统在电机设备中具有很重要的地位，高性能的伺服系统可以提供 灵活、方便、准确、快速的驱动【1】。 位置伺服系统广泛应用于国民经济的各个工业部门，例如机床加工行业、 冶金加工、机器人或机械手的控制、火炮群跟踪雷达和陀螺仪惯性导航系统等， 都涉及到了位置定位和轨迹跟踪，因此位置伺服技术的高低，将直接影响我们 国家的工业技术的发展水平【2】。 位

10、置伺服系统是通过控制器来实现自动控制理论的各种控制算法，通过执 行机构电力电子功率变换装置实现对电机的控制，来达到位置伺服的目的【3】。 其中控制器可以说是整个系统的心脏，其设计的好坏直接影响整个系统的性能。 有些伺服系统的控制器主要由模拟控制器来实现的，但对于那些较复杂控制算 法，单靠硬件电路来实现系统控制相对比较困难【4】。随着微电子技术的迅猛 发展，研发出各种高性能数字信号处理器，其运算能力强而且具有丰富的外部 接口。将数字信号处理器应用在位置伺服系统，构成数字位置伺服系统，该系 统就可以通过软件编程的方式完成各种简单或复杂的传动控制算法，通过外部 接口实现与电力电子功率变换装置的连接，

11、最终实现对电机的控制，这样既可 以提高系统的灵活性的也可以减小系统的体积【5】。 近几年基于数字信号处理芯片开发的位置伺服系统成为研究的热点，并且 很多芯片厂家还开发一些电机专用控制芯片，并在芯片内部集成了PWM发生单元 等，简化了与电力电子功率变换装置间的连接，而且具有强大的处理功能可以 完成现代控制理论或智能控制理论的一些复杂算法，如果采用这些电机专用控 制芯片来完成系统设计，即可以节省了开发周期，又简化了系统的硬件结构 【6】。 自上世纪80年代末以来的短短二十几年间，交流伺服系统取得了举世瞩目 的发展，同时伴随着变频技术的发展，使系统已具备了宽调速范围、高稳速精 度、快速动态响应及四象

12、限运行等良好的技术性能，其动、静态特性已完全可 与直流伺服系统相媲美，对交流伺服系统的研究，仍然是电气传动领域的一个 热点。现在，数字式交流位置伺服系统研究热点之一，就是以交流永磁伺服电 机为控制对象。因为随着交流永磁电机制造工艺的不断进步，使其具有低惯性、 2 快响应、高功率密度、低损耗、高效率等优点7。 1.21.2 国内外研究现状以及发展趋势国内外研究现状以及发展趋势 伺服控制技术是自动化学科中与产业部门联系最紧密、服务最广泛的一个 分支，它是伴随着电的应用二发展起来的，最早出现于 20 年代初，并且极大地 提高了劳动生产率和产品质量，推动了现代工农业的巨大进步，1934 年，的一 次提

13、出了伺服机构这个词，世界上第一个伺服系统是由美国麻省理工学院辐射 实验室于 1944 年研制成功，这就是火炮自动跟踪目标的伺服系统，随着自动控 制理论的发展，到 20 世纪中期，伺服系统理论与实践均趋于成熟，并得到广泛 应用，在新技术革命的推动下，特别是伴随着微电子技术和计算机技术的飞速 进步，伺服技术更加如虎添翼、突飞猛进，它的应用几乎遍布社会的各个领域8。 随着控制技术的发展，对伺服系统的性能不断地提出新的要求，今年来，数字 技术的飞速发展，将计算机与伺服控制系统相结合，是计算机称为伺服系统中 的一个环节已成为现实。在直流伺服系统中，利用计算机来完成系统的校正， 改变伺服系统的增益、带宽、

14、完成系统的管理、监视等任务，是系统向智能化 发展【9】。 伺服控制技术在机械制造行业中用到的最多也最广，各种机床运动部分的 速度控制、运动轨迹控制、位置控制等，都是伺服系统控制的，它们不仅能完 成转动控制、直线运动控制，而且能依靠多套伺服系统的配合，完成负载的空 间曲线运动的控制，如：仿型机床的控制、机器人手臂关节的运动控制等。它 们可以完成的运动控制精度高、速度快，远非一般工人操作所能达到【10】。 在冶金工业中，电弧炼钢炉，粉末冶金路等电极位置控制，水平连铸机的 拉坯运动控制，轧钢机轧辊压下运动位置的控制等，都是依靠伺服控制技术来 实现的，这些更是无法用人工代替的。 在运输行业中，电气机车

15、的自动调速、高层建筑中电梯的升降控制、船舶 的自动操舵、飞机的自动驾驶等，都是由各种伺服系统为之效力，从而减缓操 作人的疲劳，同时也大大的提高了工作效率。 在军事上，一定程度上提高了武器的精确度和威力，以雷达高射炮为例， 在敌方飞行器飞行时，雷达天线必须时刻旋转，随时自动保持指向敌方飞行器。 雷达测出敌方飞行器方位和仰角数据经过计算机监工并计入射击提前量后，又 用来控制高射炮炮身的转动，使高射炮时刻保持瞄准敌方飞行器，随时准备开 火，而瞄准的角度误差只有几分，如不用控制技术的相关支持，折现显然是做 不到的。现代军用飞行器速度很快，炮身又沉重，用人力直接转动炮身是完全 不可能适应战阵需求的。 在

16、航天、制导、核能等方面，控制技术更是不可缺少，比如，要把重达数 3 吨的人造卫星准确的送入位于数百公里高空的预先计算好的轨道和指定的位置， 并一直保持他的姿态正确，是他的太阳能电池一直朝向太阳，无线电天线一直 指向地球，还要保持卫星内的正常，使他携带的各种仪器自动准确的工作，所 有的这一切都是以高水平的控制系统为前提的。 伺服控制技术和控制技术还处于发展的过程中，由于计算机的诞生和迅速 发展，控制技术一定会不断地提高水平，以适应难度系数日益增大的控制要求， 在未来的几年中，伺服系统的发展趋势是： 作为数控机床的重要功能部件，伺服系统的特性一直是影响系统加工性能 的重要指标。围绕伺服系统动态特性

17、与静态特性的提高，近年来发展了多种伺 服驱动技术。可以预见，随着超高速切削、超精密加工、网络制造等先进制造 技术的发展，具有网络接口的全数字伺服系统、直线电动机及高速电主轴等将 成为数控机床行业关注的热点，并成为伺服系统的发展方向11。 （1）交流化 伺服技术将继续迅速地由 DC 伺服系统转向 AC 伺服系统。从目前国际市 场的情况看，几乎所有的新产品都是 AC 伺服系统。在工业发达国家，AC 伺服 电机的市场占有率已超过 80 。国内生产 AC 伺服电机的厂家也越来越多， 正逐步超过生产 DC 伺服电机的厂家。可以预见，在不远的将来，除了在某些 微型电机领域之外，AC 伺服电机将完全取代 D

18、C 伺服电机。 （2）全数字化 采用新型高速微处理器和专用数字信号处理机（DSP）的伺服控制单元将 全面代替以模拟电子器件为主的伺服控制单元，从而实现完全数字化的伺服系 统。全数字化的实现，将原有的硬件伺服控制变成了软件伺服控制，从而使在 伺服系统中应用现代控制理论的先进算法（如：最优控制、人工智能、模糊控 制、神经元网络等）成为可能。 （3）采用新型电力电子半导体器件 目前，伺服控制系统的输出器件多采用开关频率很高的新型功率半导体器 件，主要有大功率晶体管（GTR）、功率场效应管（MOSFET）和绝缘门极晶 体管（IGBT）等。这些先进器件的应用显著降低了伺服单元输出回路的功耗， 提高了系统

19、的响应速度，降低了运行噪声。尤其是，最新型的伺服控制系统已 开始使用一种把控制电路功能和大功率电子开关器件集成在一起的新型模块， 称为智能控制功率模块。这种器件将输人隔离、能耗制动、过温、过压、过流 保护及故障诊断等功能全部集成于一个不大的模块中。其输入逻辑电平与 TTL 信号完全兼容，与微处理器的输出可直接接口。它的应用显著地简化了伺服单 元的设计，并实现了伺服系统的小型化和微型化。 4 （4）高度集成化 新的伺服系统产品改变了将伺服系统划分为速度伺服单元与位置伺服单元 2 个模块的做法，代之以单一、高度集成化、多功能的控制单元。同一个控制 单元，只要通过软件设置系统参数就可改变其性能，既可

20、以使用电机本身配置 的传感器构成半闭环调节系统，又可以通过接口与外部的位置或速度或力矩传 感器构成高精度的全闭环调节系统。高度的集成化，显著缩小了整个控制系统 的体积，使伺服系统的安装与调试工作都得到简化。 （5）智能化 智能化是当前一切工业控制设备的流行趋势，伺服驱动系统作为一种高级 的工业控制装置也不例外。最新数字化的伺服控制单元通常都设计为智能型产 品，其智能化特点表现在： 都具有参数记忆功能。系统的所有运行参数都可 通过人机对话的方式由软件来设置，保存在伺服单元内部，通过通信接口，这 些参数甚至可以在运行途中由上位计算机加以修改，应用方便； 都具有故障 自诊断与分析功能。无论什么时候，

21、只要系统出现故障，就会将故障类型及可 能引起故障的原因通过用户界面清楚地显示出来，这就简化了维修与调试的复 杂性；有的伺服系统还具有参数自整定的功能。众所周知，闭环调节系统的 参数整定是保证系统性能指标的重要环节，也是需要耗费较多时间与精力的工 作。带有自整定功能的伺服单元可通过几次试运行，自动将系统的参数整定出 来，并自动实现其最优化。对于使用伺服单元的用户来说，这是新型伺服系统 最具吸引力的特点之一。 （6）模块化和网络化 在国外，以工业局域网技术为基础的工厂自动化（Factory Automation， 简称 FA）工程技术在近十年来得到了长足发展，并显示出良好的发展势头。为 适应这一发

22、展趋势，最新的伺服系统都配置了标准的串行通信接口和专用的局 域网接口。这些接口的设置显著增强了伺服单元与其它控制设备问的互联能力， 从而，与 CNC 系统问的连接也变得简单，只需 1 根电缆或光缆就可将数台，甚 至数十台伺服单元与上位计算机连接为整个数控系统。也可通过串行接口与可 编程控制器（PLC）的数控模块相连。 1.31.3 设计要求及参数设计要求及参数 高精度位置伺服系统采用一个功率为 2.5Kw 的宽调速电动机作为执行电机， 拖动负载运动。 系统要求达到的技术指标为：（1）定位精度B A=B AB A=B AB A=B AB A=B AB)输出端保持为低电平， 当计数值大于 X 时

23、U2 的(AB)输出端为高电平。随着计数值的增加，Q3Q10 由全“1”变为全“0”时，(AB)输出端又变为低电平，这样, 在 U2 的(AB)端 得到 PWM 的信号，其占空(255-X)/255100%，改变 X 值可改变 PWM 信号的占空 比，进行直流电机的转速控制。使用此方法单片机只需根据调整量输出 X 值， PWM 信号由三片通用数字电路生成，使软件大大简化，有利于单片机系统正常 工作。由于单片机上电复位时 P0 端口输出全“1”，使用 4585 的 B 组与 P0 端 口相连，升速时 P0 端口输出 X 按一定规律减少，降速时按一定规律增大【25】。 3.3.23.3.2 电机驱

24、动电路的设计电机驱动电路的设计 LMD18200 内部集成了四个 DMOS 管，组成一个标准的 H 型驱动桥。通过 充电泵电路为上桥臂的 2 个开关管提供栅极控制电压，充电泵电路由一个 300kHz 左右的工作频率。可在引脚 1、11 外接电容形成第二个充电泵电路， 18 外接电容越大，向开关管栅极输入的电容充电速度越快，电压上升的时间越短， 工作频率可以更高。引脚 2、10 接直流电机电枢，正转时电流的方向应该从引 脚步到引脚 10；反转时电流的方向应该从引脚 10 到引脚 2。电流检测输出引 脚 8 可以接一个对地电阻，通过电阻来输出过流情况。内部保护电路设置的过 电流阈值为 10A，当超

25、过该值时会自动封锁输出，并周期性的自动恢复输出。 如果过电流持续时间较长，过热保护将关闭整个输出。过热信号还可通过引脚 9 输出，当结温达到 145 度时引脚 9 有输出信号。 LMD18200 提供双极性驱动方式和单极性驱动方式。双极性驱动是指在一个 PWM 周期里，电动机电枢的电压极性呈正负变化。双极性可逆系统虽然有低速 运行平稳性的优点，但也存在着电流波动大，功率损耗较大的缺点，尤其是必 须增加死区来避免开关管直通的危险，限制了开关频率的提高，因此只用于中 小功率直流电动机的控制【26】。 A - + C 22K DIR 3 PWM 5 VCC 6 ThermalF0 9 Current

26、S0 8 Brake 4 GND 7 OUT1 2 OUT2 10 BootS2 11 BootS1 1 * LMD18200 A 3.43.4 显示电路的设计显示电路的设计 在单片机应用系统中，除了要使用键盘外，还要用相应的显示器，常用的 有 LED 和 LCD 两种，这两种显示器成本低廉，配置灵活，与单片机接口方便。 近年来也开始配置简易的 CRT 接口，可以方便的进行图形显示。在本系统中， 采用价格低廉，接口电路灵活的 LED 显示器，下面先介绍一下 LED 显示器。 LED 是发光二极管英文的缩写。LED 显示器是由发光二极管构成的，LED 显示器在单片机系统中应用非常普遍【27】。

27、LED 显示器有动态显示和静态显示两种显示方式。 1LED 静态显示方式 LED 显示器工作于静态显示方式时，各位的共阴极或共阳极连接在一 起并接地；每位的段码线分别与 1 个 8 位的锁存器输出相连。之所以称为静态 图 3-7 驱动电路 19 显示，是因为各个 LED 的显示字符一经确定，相应锁存器锁存的段码输出将维 持不变，直接送入另一个字符的段码为止。正因为如此，静态显示器的亮度都 较高。 2LED 动态显示方式 在多位 LED 显示时，为简化硬件电路，通常将所有位的段码线相应段并联 在一起，由 1 个 8 位 I/O 口控制，形成段码线的多路复用，而各位的共阳极或 共阴极分别由相应的

28、I/O 线控制，形成各位的分时选通。若要各位 LED 能够同 时显示出于本位相应的显示字符，就必须采用动态显示方式，即在某一时刻， 只让某一位的位选线处于选通状态，而其他各位的位选线处于关闭状态，同时， 段码线上输出相应位要显示的字符的段码。这样，在同一时刻，4 位 LED 中只 有选通的那一位显示出字符，而其他 3 位则是熄灭的。同样，在下一时刻，只 让下一位的位选线处于选通状态，而其他各位的位选线处于关闭状态，在段码 线上输出将要显示字符的段码，则同时刻，只有选通位显示出相应的字符，而 其他各位则是熄灭的。 根据设计要，我们需要设计显示电路，显示出电机的转速，调节速度以及 其他的显示数据，

29、由于显示功能较少，我选择数码管显示电路，电路图如图 3- 8 所示。 20 图 3-8 数码管显示电路 3.53.5 按键电路的设计按键电路的设计 1、键盘输入的特点 键盘实际上是一组按键开关的集合。通常，键盘开关利用了机械触点的合、 断作用。一个电压信号通过键盘开关机械出点的断开、闭合输出波形。 2、按键的确认 键的闭合与否，反映在行线输出电压上就是呈现高电平或低电平，如果高 电平表示键断开，低电平则表示键闭合，通过对行线电平高低状态的检测，便 可确认按键按下与否。为了确保 CPU 对一次按键动作只确认一次按键有效，必 须消除抖动期的影响。 3、消除按键的抖动 采用软件延时来消除按键抖动的基

30、本思想是：在第一次检测到有按键 按下时，该键所对应的行线为低电平，执行一段延时 10ms 的子程序后，确认 该行线电平是否仍为低电平，如果仍为低电平，则确认为该行确实有按键按下。 21 当按键松开时，行线的低电平变为高电平，执行一段延时 10ms 的子程序后， 检测到该行线为高电平，说明按键确实已经松开。采取以上措施，躲开了两个 抖动期，从而消除了按键抖动的影响。 根据设计要求，需要对系统进行实时的调节，因此需要输入设备，由于调 节参数较少，可以使用符合按键，我选择独立按键，足以满足系统要求 独立式键盘就是各键相互独立，每个按键各接一根输入线的电平状态可以 很容易的判断哪个按键被按下。 在按键

31、数目较多时，独立式键盘电路需要较多的输入口线且电路结构复杂， 故此种键盘适用于按键较少或操作速度较高的场合。 各种独立式键盘中，各按键均采用了上拉电阻，这是为了保证在按键断开 时，各 I/O 口有确定的低电平。 图 3-9 按键电路 3.63.6 电源电路的设计电源电路的设计 电源电路是指提供给用电设备电力供应的电源部分的电路设计，使用的 电路形式和特点 【28】 。电源有交流电源也有直流电源 ，本系统的电源电路如 下所示： 图 3-10 电源电路 VinVout GND 7805 T2 Trans Ideal D-37 Bridge1 0.1uF C6 0.1uF C7 Cap 220V D

32、-38 Bridge1 5V 2200pF C1 0.33uF C1 VinVout GND 7824 0.1uF C6 0.1uF C7 Cap24V 2200pF C1 0.33uF C1 - + + - 22 第四章第四章 系统软件设计系统软件设计 4.14.1 总体设计思想总体设计思想 4.1.14.1.1 系统的工作过程系统的工作过程 高精度位置伺服系统采用位置调节和转速调节电流三闭环调节环节组成， 位置环检测电机当前所处的位置，转速环调节电机的转速，用光电编码器可以 检测并计算出电动机的当前的速度计运动方向以及电动机的当前的位置，若电 动机的位置不在指定位置，并且在转速环的调节范围

33、之内，转速调节器调节电 动机的转速达到调节电动机未知的目的；若电动机的位置不在指定位置，并且 已经超出了转速环的调节范围，位置调节器调节电动机的运动方向，达到调节 电动机的位置。 4.1.24.1.2 程序设计方法选择程序设计方法选择 通常应用程序设计的方法有：模块化设计和结构化设计。 模块化设计，简单地说就是程序的编写不是开始就逐条录入计算机语句 和指令，而是首先用主程序、子程序、子过程等框架把软件的主要结构和流 程描述出来，并定义和调试好各个框架之间的输入、输出链接关系。逐步求 精的结果是得到一系列以功能块为单位的算法描述。以功能块为单位进行程 序设计，实现其求解算法的方法称为模块化。模块

34、化的目的是为了降低程序 复杂度，使程序设计、调试和维护等操作简单化 。 结构化分析方法(Structured Method，结构化方法)是强调开发方法的 结构合理性以及所开发软件的结构合理性的软件开发方法。结构是指系统内 各个组成要素之间的相互联系、相互作用的框架。结构化开发方法提出了一 组提高软件结构合理性的准则，如分解与抽象、模块独立性、信息隐蔽等。 针对软件生存周期各个不同的阶段，它有结构化分析 (SA)、结构化设计(SD)和 结构化程序设计(SP)等方法。 根据系统的工作过程，本设计采用模块化设计方法，主要包括：主程序模 块、数据采集及处理子程序模块、控制算法子程序模块以及键盘显示程序

35、模块。 4.1.34.1.3 程序设计语言的选择程序设计语言的选择 常用的编程语言有：机器语言、汇编语言和高级语言。 机器语言是一组有意义的二进制代码，指令的基本格式如： 操作码字段 地址码字段其中操作码指明了指令的操作性质及功能，地址码则给出了操作 数或操作数的地址 。 汇编语言是一种功能很强的程序设计语言，也是利用 计算机所有硬件特 23 性并能直接控制硬件的语言。汇编语 言，作为一门语言，对应高级语言的编 译器，需要一个“汇编器”来把汇编语言源文件会变成机器语言课执行的代 码。高级的汇编器如 MASM，TASM 等等为我们写汇编 程序提供了很多类似于 高级语言的特征，比如结构化、抽象等。

36、在这样的环境中编写的汇编程序， 有很大一部分是面向汇编器的 伪指令，已经类同于高级语言。现在的汇编 环境已经如此高级，即使全部用汇编语言来编写windows 的应用程序也是 可行的，但这不是汇编语言的长处。汇编语言的长处在于编写高效且需要对 机器硬件精确控制的程序 。 由于汇编语言依赖于硬件体系，且助记符量大难记，于是人们又发明了更 加易用的所谓高级语言。在这种语言下，其语法和结构更类似普通英文，且由 于远离对硬件的直接操作，使得一般人经过学习之后都可以编程。高级语言通 常按其基本类型、代系、实现方式、应用范围等分类。 本系统采用汇编语言编写程序。 24 4.24.2 主程序设计主程序设计 本

37、系统的主程序主要是完成对存储单元、堆栈指针等的初始化；对电 流、转速检测子程序、PI 计算子程序、键盘、显示子程序的调用，最终实现对 转速的控制。程序流程图如图 4-1 所示 图 4-1 主程序流程 开始 初始化 送控制系数 调电流检测子程 序 开外部中断 调显示子程序 调电流PI算法子程序 调转速PI算法子程序 调键盘子程序 关外部中断 25 4.34.3 数据采集（转速检测数据采集（转速检测）子程序的设计）子程序的设计 本程序由 2 个外部中断、1 个定时中断组成，实现对转速的测量。 4.3.14.3.1 外部中断外部中断 0 0 服务程序服务程序 程序首先清软件计数器，然后判断定时器 0

38、 是否进入定时状态，如果是， 则对光电编码盘发出的脉冲进行计数，否则，启动定时器 0 后再对 PLG 进行计 数。外部中断 0 服务程序流程图如图 4-2 所示。 图 4-2 中断程序流程图 4.3.24.3.2 定时器定时器 0 0 中断服务程序中断服务程序 在外部中断 0 服务程序中，当定时器定时到了以后，就进入此程序。首先 关掉外部中断 0，保存计数值 m2，并且清定时器 TH0、TL0 留作下次用，然后 启动定时器 1 定时，打开外部中断 1。定时器 0 中断服务程序流程图如图 4-3 所 示。 中断0入口 清计数器 启动T0定时 对PLG计数 T0是否定时 返回 Y N 26 图 4

39、-3 定时器 0 中断服务程序流程图 4.3.34.3.3 外部中断外部中断 1 1 服务程序服务程序 在定时器 0 服务程序中，当 INT0 端子接受上升沿时，就进入此程序。关 外部中断 1，并且使定时器 1 停止计数，保存计数值 m3。外部中断 1 服务程序 流程图如图 4-4 所示。 中断1入口 关外部中断 返回 存m3 T1停止计数 图 4-4 外部中断 1 服务程序流程图 T0中断入口 关外部中断 返回 存m2 清定时器T0 开外部中断 启动T1定时 27 4.44.4 PIPI 算算法子程序法子程序设计设计 取给定与反馈值进行比较，求偏差，求控制增量，进而求控制量，判断控 制量是否

40、超过上限：是输出上限，返回；否输出控制量，返回。程序 流程图如图 4-5 所示. 图 4-5 PI 算法子程序流程图 开始 计算偏差e(k) 计算比例项 MAX UKU1 MAX UKU1 积分分离项 积分控制量U(k) 退出 ke ke Y N N NN Y YY 28 总总 结结 经过了一学期的努力，毕业设计终于完成了，现在回想起来整个设计过程， 我觉得受益匪浅。在这段时间里，我们不懈地努力、全身心的投入，通过请教 老师和查阅资料以及自己的学习，巩固了很多以前过的知识。 毕业设计是一个重要的教学环节,它是将理论知识加以应用的具体体现，是 对学生各方面能力的一种提高，也是对我们的一种锻炼，我

41、们马上要走向工作 岗位，在接到工作任务时，我们就可以像现在这样有条不紊的做个计划，分清 主次，很好的完成任务。 这次的设计报告整体分五章，第一章对设计的目的、意义以伺服控制系统 的国内外发展现状做了而一个概述，第二章对系统方案进行了论证，第三章介 绍了设计的硬件部分，第四章介绍了软件流程部分，第五章是对设计的总结。 作为高精度位置伺服微机控制系统，其主要任务是保证电机的安全、稳定、 经济运行，减轻操作人员的劳动强度。采用微计算机控制，能对电机进行过程 的自动检测、自动控制等多项功能。 通过此次设计，我不仅熟悉了高精度位置伺服微机控制系统的相关指标及 要求，更大的收获就是我熟悉了如何运用 PID

42、 控制算法实现对电机的控制。通 过这次毕业设计，我明白了学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活 中都应该不断的学习，不断地给自己“充电”,努力提高自己知识和综合素质。 29 致致 谢谢 经过了一学期的学习和努力，我们学到了很多知识，在这段时间里，我们 不懈地努力、全身心的投入，一路走过来，从只知道些课本的理论知识之外一 无所知的菜鸟开始，请教老师和同学，差阅资料和书籍，自己动手实践、摸索， 这是一个美妙的过程，收获的结果并不重要，收获的整个过程才是有价值的， 我们从这个过程锻炼了很多能力，有的极其深远的意义。这个过程使我们对将 来有了一个新的认识一个新的定位，也为我们指明了方向。基于我们

43、对这方面 感兴趣，我们会继续努力，有斗志跻身于自动化这个行业。最后感谢于微波老 师，感谢老师给我的指导和鼓励，我很珍惜，在这里祝愿老师身体健康，工作 顺利！ 虽然设计每位同学的课题都不尽相同，但是在设计的过程中一些相似的地 方，我与同学都积极地沟通交流，互相介绍一下自己的经验体会以达到共同提 高的目的。这样的沟通也使我们少走了很多弯路，也节省了不少时间，大大提 高了效率。在本次设计中，在与他们的沟通交流中，我学到了很多知识，也吸 取了他们的经验，使得我少走了很多弯路，同时他们也对我的设计方案提出了 很多宝贵的意见，在此也向他们道一声感谢！ 由于个人能力有限，所作设计一定会有一些错误和疏漏之处，

44、敬请各位老师 批评指导。 30 参考文献参考文献 1 陈伯时.电力拖动自动控制系统M.北京:机械工业出版社,1997 2 王森.仪表使用数据手册M.北京:化学工业出版社,1998.7 3 张琳娜，刘武发.传感器检测技术及应用M.北京：中国计量出版社, 1999.12 4 刘金琨.先进 PID 控制及其 MATLAB 仿真M.北京：电子工业出版社， 2003.1 5 陈汝全，林水生，夏利.实用微机与单片机控制技术M.成都：电子科技 大学出版社,1998.11 6 徐强等编著.脉宽调速系统M.上海：上海科学技术文献出版社，1984 7 吕俊方.传感器接口与检测仪器电路M.北京：航空航天大学出版社,

45、 1998.5。 8 姚俊，马松辉.Simulink 建模与仿真M.西安电子科技大学出版社，2002 年 9 薛定宇，陈阳泉。基于 MATLAB/Simulink 的系统仿真技术与应用M.北 京：清华大学出版社，2002 10 章兼源.微机控制技术M.电子工业出版社，2003，7 11 刘原.直流伺服电机的微机控制调速装置J.西北纺织工学院学报. 1996，10(4):403406 12 王礼建，刘文波，段智敏.直流位置伺服控制系统设计J.沈阳工业学院 学报.2002，21(l):46-48 13 徐香平，黄耀志.单片机控制的角度伺服系统在精编机中的应用J.福建 电脑.2003，11:50-5

46、1 14 郭庆鼎，周悦，郭威，高精度永磁直线同步电动机伺服系统鲁棒位置控 制器的设计J.电机与控制学报.1998，2(4):208-212 15 李保田.伺服系统的原理与设计J.北京:机械工业出版社，1999，35-46 16 王正元.自动化、电力电子和电动机的发展J.自动化博览，2002.19(6):1- 4 17 边文纲.电动伺服技术的原理和应用及设计J.上海:电机技术编辑部， 1993，44-6 18 刘国荣.单片微型机算计技术M.北京:机械工业出版社，1997，188-209 19 于航.基于计算机控制的直流伺服系统算法研究及仿真D.大连交通大学. 2005,12 20 李晓秀.微机直

47、流伺服系统的设计与研究D.湖南大学.2004,09 31 21 刘鹏.基于重复控制方法的高精度转台伺服控制系统设计D.中国科学院. 2009,3 22 张刚.浅谈永磁同步电机伺服系统及现状J.江苏省特检院常熟分院. 2008-5-28 23 陈福龙.基于 DSP 的永磁同步电动机伺服控制系统研究D. 华中科技大 学. 20060705 24 刘凌云.基于 DSP 的永磁同步直线电机伺服控制系统的研究D. 华中科 技大学. 20060425 25 朱得亚.基于嵌入式技术的位置伺服控制系统研究D. 南京理工大学. 20080526 26 李烨,严欣平.永磁同步电动机伺服系统研究现状及应用前景J.

48、微电机 2001 年第 34 卷 4 期(总第 121 期) 27 王树清等.工业过程控制工程M.化学工业出版社.2003 年 28 侯志林著.过程控制与自动化仪表M.机械工业出版社.1998 年 29 马栖秦，徐正中著.自动检测技术M.机械工业出版社.2000 年 30 赖寿涛.微型计算机控制技术M.机械工业出版社.1999 年 32 附录一：系统原理图附录一：系统原理图 12 30pF C1 30pF C2 VCC P1.0 1 P1.1 2 P1.2 3 P1.3 4 P1.4 5 P1.5 6 P1.6 7 P1.7 8 INT1 13 INT0 12 T0 14 T1 15 EA/V

49、pp 31 XTAL1 19 XTAL2 18 RESET 9 RD 17 WR 16 GND 20 Vcc 40 P0.0 39 P0.1 38 P0.2 37 P0.3 36 P0.4 35 P0.5 34 P0.6 33 P0.7 32 P2.0 21 P2.1 22 P2.2 23 P2.3 24 P2.4 25 P2.5 26 P2.6 27 P2.7 28 PSEN 29 ALE/PROG 30 TXD 11 RXD 10 AT89S51 f 9 g 10 e 1 d 2 A 3 c 4 DP 5 b 6 a 7 A 8 DS1 f 9 g 10 e 1 d 2 A 3 c 4 DP 5 b 6 a 7 A 8 DS2 f 9 g 10 e 1 d 2 A 3 c 4 DP 5 b 6 a 7 A 8 DS3 f 9 g 10 e 1 d 2 A 3 c 4 DP 5 b 6 a 7 A 8 DS4 +5 CLR CLK A B QA QB QC QD QE QF QG QH 74 L S1 64 CLR CLK A B QA QB QC QD QE QF QG